高考化学试题中染料敏化太阳能电池的考察
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摘要：太阳能作为一种"取之不尽、用之不竭"的洁净的天然能源，已经引起人们的极大兴趣，并成为高考的热点。关于太阳能电池的相关知识在2010年全国卷I高考试题已有所涉及，本文就借助此题进一步介绍一下DSSC，并对高考中新型环保电池试题的解答思路作一总结，希望能够引起读者的共鸣。
关键词：染料敏化的太阳能电池 新能源 电化学 光电转换机理
随着煤、石油、天然气等矿物能源的日益枯竭，人们迫切需要寻找其它的可替代能源，作为一种“取之不尽、用之不竭”的洁净的天然能源，太阳能成为最有希望的能源之一而引起了人们的高度重视。1991年, Grabtzel 等发明了一种利用吸附羧酸联吡啶钌光敏染料的纳米二氧化钛薄膜为光电阳极的太阳能电池，其光电转换效率大于7%，成本仅为硅光电池的1/5～1/10，使用寿命可达15年以上，这一重大突破使得有机染料敏化的太阳能电池(Dye-sensitized solar Cells, DSSC)向实用阶段迈进了一大步。长期以来国外始终垄断着这一行业，直到2010年初总投资1.5亿元的全国首个DSSC产业化项目在河北邯郸开发区落户，标志着由我国自主研发的新一代太阳能电池DSSC的产业化进程迈上新台阶。关于DSSC的相关知识在2010年全国卷I高考试题第10题已有所涉及，在此我借助此题进一步介绍一下DSSC，并对高考中新型环保电池试题的解答思路作一总结。
例题：下图是一种染料敏化太阳能电池的示意图。电池的一个电极由有机光敏染料（S）涂覆TiO2纳米晶体表面制成，另一电极由导电玻璃镀铂构成，电池中发生的反应为：
下列关于该电池叙述错误的是 ( )
A.电池工作时，I-离子在镀铂导电玻璃电极上放电
B.电池工作时，是将太阳能转化为电能
C.电池的电解质溶液中I- 和I3-浓度不会减少
D.电池中镀铂导电玻璃为正极
解析：这是一道以新型环保电池DSSC为载体命制的试题,切入点新颖。新型环保电池的试题很好的结合了“低碳经济”这一时代主题，成为今年电化学考题的一大亮点。由于这类新情景的题目与课本知识相差甚远, 设问中又突出迁移运用, 所以, 大多数考生对这类试题感到难, 而难在何处又十分迷茫；其实同学们遇到这类题大可不必慌张。纵观2010年高考电化学试题后发现，其主要从电化学基本原理的理解（安徽卷・第11题/天津卷・第7题）、新型环保电池的电极反应及应用（全国卷Ⅰ・第10题）、金属的腐蚀与防腐（山东卷・第29题）这三个方面来综合考查学生对电化学这一知识板块的理解和迁移应用能力。
此题的作答需要同学们很好的分析题干中给出的信息，避免了以往新情景题只看选项就能得出答案的缺陷，真正考察了同学们对知识的迁移应用能力。例题的题干部分简单的介绍了DSSC的结构和光电转换机理。DSSC是模仿光合作用原理，研制出来的一种新型太阳能电池，具有原材料丰富、成本低、工艺技术相对简单，在大面积工业化生产中具有较大的优势，同时也具有所有原材料和生产工艺都是无毒、无污染的，部分材料可以得到充分的回收等优点。电池中发生的反应为式(1)―(4)，即为DSCC的光电转换机理，可以简述为以下五步: (1) 太阳光(hν)照射到电池上, 基态染料分子(S)吸收太阳光能量被激发，染料分子中的电子受激跃迁到激发态(S*) ；(2) 激发态的电子快速注入到TiO2导带中；(3) 电子在TiO2膜中迅速传输，在导电基片上富集, 通过外电路流向对电极；(4) 处于氧化态的染料分子(S*)与电解质( I-/I3- )溶液中的电子供体( I- )发生氧化还原反应而回到基态，染料分子得以再生；(5) 在对电极附近,电解质溶液得到电子而还原，从而完成一个循环。
在原电池中，电子流出的一极是负极，电子流入的一极是正极。根据图中的电子流向，可知有机光敏染料（S）涂覆TiO2纳米晶体表面修饰的电极为DSCC的负极，导电玻璃镀铂修饰的电极为正极，D正确。负极总是失去电子，发生氧化反应，正极总是得到电子发生还原反应；DSCC工作时，I-离子在电极上放电转化成I3-，失去电子发生氧化反应，因此I-离子在负电极上放电，A错误。DSSC工作时，是将太阳能转化为电能，这也是此类环保电池的一个显著优点，B正确。由题干中的反应式(3)和(4)可以得知，转移相同的电子生成的I-和I3-的量相同，所以电池在工作过程中电解质溶液中I- 和I3-浓度不会减少，C正确。因此对该电池叙述错误的是A选项。
从上面的解析不难看出，虽然此类情景题切入点新颖,只要同学们仔细分析题干中给出的信息，结合平时熟练掌握了的电池的基本原理和解题规律,学会迁移运用已学知识，然后判断选项中叙述的正误，那么无论面临如何新的情景，都可以以不变应万变,驾驭自如。新型环保电池以其能量转化率高、无毒无污染、成本低、寿命长等优势, 有着十分广阔的产业化前景，相信在不久的将来，定会走进我们的生活。毫无疑问，它也将是高考命题中一大热点和亮点。